Проектирование двухдиапазонных и многодиапазонных антенн для многофункциональных устройств

В современном взаимосвязанном мире многофункциональные устройства, такие как смартфоны, планшеты, ноутбуки и IoT-гаджеты, требуют антенн, способных работать в нескольких частотных диапазонах, чтобы обеспечить бесшовное подключение через 4G LTE, 5G NR, Wi-Fi 6/6E, Bluetooth, GNSS и ближнюю связь (NFC). Проектирование двухдиапазонных и многодиапазонных антенн стало основной инженерной задачей, которая уравновешивает производительность, размер, стоимость и интеграцию. В этой статье рассматриваются принципы, методы и лучшие практики для создания эффективных многодиапазонных антенн, адаптированных для современных многофункциональных устройств.

Основы многодиапазонной операции антенны

Антенна излучает электромагнитную энергию на своей резонансной частоте или частотах. Однополосная антенна оптимизирована для одного узкого диапазона частот, в то время как многополосная антенна демонстрирует несколько резонансов, каждый из которых охватывает отдельную полосу. Ключевая задача состоит в том, чтобы гарантировать, что антенна поддерживает адекватное соответствие импедансу, коэффициент усиления и рисунок излучения во всех предполагаемых диапазонах без неприемлемых компромиссов производительности. Многополосная операция обычно полагается на создание нескольких токовых путей или использование реактивной нагрузки для смещения резонансных частот. Общие подходы включают разветвленные излучающие элементы, паразитную связь и частотно-селективные поверхности. Физический размер антенны сильно влияет на ее самую низкую резонансную частоту; для портативных устройств это заставляет дизайнеров использовать электрически небольшие антенны с по своей сути узкими полосами пропускания, что делает многополосное покрытие еще более трудным.

Виды мульти-панелей

Двухдиапазонные антенны

Двухдиапазонные антенны охватывают два различных диапазона частот, таких как диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц, используемые для Wi-Fi, или полосы LTE (например, 700 МГц и 2,6 ГГц). Общие реализации включают в себя инвертированную антенну F (IFA) и плоскую инвертированную F-антенну (PIFA) с одной или двумя точками подачи и паразитическими элементами. Двухдиапазонная PIFA может достигать двух резонансов путем изменения формы излучающего пятна или путем добавления раздвижной структуры. Например, L-образный слот на патче вводит дополнительный путь тока, который создает второй резонанс.

Антенны Tri-Band и Quad-Band

Эти конструкции расширяют концепцию до трех или четырех полос, часто необходимых для современных смартфонов, которые должны поддерживать LTE / 5G под 6 ГГц, Wi-Fi двойной диапазон и GNSS. Общая техника заключается в использовании извилистый монополь в сочетании с несколькими ветвями. Каждая ветвь настроена на различную полосу частот через ее длину и ширину. Альтернативно, один канал может возбуждать несколько режимов (например, фундаментальный, гармонический и слот-режим) в компактной излучающей структуре. Многодиапазонные антенны часто включают печатную плату (PCB) наземной плоскости связи, поскольку сама земля способствует излучению на низких частотах.

Реконфигурируемые антенны

Перенастраиваемые антенны могут динамически переключаться между полосами с использованием электронных компонентов, таких как PIN-диоды, варакторы или RF-MEMS-переключатели. Изменяя эффективную электрическую длину или реактивное сопротивление нагрузки, антенна может покрывать широкий диапазон частот с одной физической конфигурацией. Это особенно ценно для программно-определяемых радиостанций и устройств, которые должны адаптироваться к различным региональным частотным распределениям. Однако перенастраиваемые антенны вносят сложность в смещения, линейность и обработку мощности и должны быть тщательно разработаны, чтобы избежать ухудшения эффективности.

Широкополосные против многодиапазонных антенн

Широкополосная антенна покрывает непрерывный диапазон частот (например, UWB от 3,1 до 10,6 ГГц), в то время как многополосная антенна покрывает только определенные дискретные полосы. Выбор зависит от приложения. Для сотовых телефонов, которые должны работать на многих узких полосах (например, 700 МГц, 850 МГц, 1,7 ГГц, 1,9 ГГц, 2,1 ГГц, 2,6 ГГц), многополосная конструкция часто более практична, потому что она может избежать вмешательства в неклеточные службы и может быть сделана меньше. Широкополосные антенны, как правило, больше и более восприимчивы к внеполосному шуму.

Ключевые соображения дизайна

ширина полосы пропускания

Каждая требуемая полоса должна быть покрыта дробной полосой пропускания (BW), достаточной для размещения спектра сигнала, включая полосы защиты. Для сотовой LTE типичная полоса пропускания на полосу составляет 10-20 МГц; для 5G NR она может составлять 100 МГц и более. Q-фактор антенны (фактор качества) определяет ее внутреннюю полосу пропускания. Электрически маленькие антенны имеют высокую Q и узкую полосу пропускания, поэтому получение широкой полосы часто требует загрузки с потерями компонентов (которые снижают эффективность) или использования нескольких резонаторов. Такие методы, как анализ характеристического режима (CMA), помогают идентифицировать оптимальные позиции подачи для возбуждения нескольких режимов и расширения эффективной полосы пропускания.

Размер и форм-фактор

Современные устройства становятся все более тонкими и компактными, оставляя очень ограниченный объем для антенн. Например, типичная антенна смартфона может занимать объем всего 5-10 мл на верхнем или нижнем краю. Дизайнеры должны использовать электрически небольшие антенны с подложками высокой проницаемости или магнито-диэлектрическими материалами для уменьшения размера. Однако миниатюризация обычно сужает полосу пропускания и снижает эффективность. Сравнение между размером, полосой пропускания и эффективностью («предел Чжу») должно управляться тщательно.

Изоляция и взаимное соединение

В многодиапазонных антеннах часто сосуществуют в непосредственной близости множество резонирующих элементов или множество каналов. Высокая взаимная связь может ухудшать производительность за счет смещения резонансных частот, снижения усиления и создания нежелательных изменений радиационного рисунка. Методы изоляции включают использование дефектных наземных структур (DGS), электромагнитных поверхностей с разрывом полос (EBG), линий нейтрализации или ортогональной поляризации. Например, две антенны, работающие на частотах 2,4 ГГц и 5 ГГц, могут быть размещены ортогонально для минимизации связи. В системах MIMO обычно требуется изоляция лучше 10 дБ.

Совпадение импеданса

Импеданс входного сигнала антенны должен соответствовать импедансу системы (обычно 50 Ом) во всех диапазонах. Совместные сети с использованием комковатых компонентов (конденсаторов, индукторов) могут быть добавлены, но они вводят потери и занимают площадь ПХД. Лучший подход заключается в разработке самой геометрии антенны для обеспечения хорошего соответствия на всех предполагаемых частотах. Это часто включает одновременное сопряженное соответствие с использованием методов, таких как фильтры T- или L-сети, интегрированные в линию подачи. Инструменты автоматизированной проектирования и полноволновые EM-симуляторы (например, HFSS, CST) необходимы для оптимизации сопоставления.

Радиационный шаблон и эффективность

Для сотовой связи предпочтительно всенаправленное покрытие, в то время как для Wi-Fi направленный покрытие может улучшить качество связи. Многодиапазонные антенны должны поддерживать приемлемый коэффициент усиления (обычно 0-3 дБи) и эффективность выше 50% во всех диапазонах. Эффективность ухудшается из-за омических потерь в проводнике антенны и подложке, а также из-за близлежащих компонентов (батарея, дисплей, металлический корпус). Дизайнеры часто используют субстраты с низким уровнем потерь (например, Rogers, Panasonic Megtron) и толстые медные следы для смягчения потерь.

Методы реализации многодиапазонной операции

Загрузка ванн и паразитные элементы

Простой прием заключается в добавлении к основному радиатору открытой или короткозамкнутой заглушки. Заглушка создает второй резонанс на частоте, определяемой ее электрической длиной. Например, четвертьволновая заглушка, параллельная основному монополю, может генерировать выемку или дополнительную полосу. Паразитические элементы (не питаемые проводники), соединенные с активным элементом, также могут резонировать на желаемых частотах, действуя как пассивные радиаторы. Этот метод широко используется в конструкциях PIFA для добавления антенны с высокой полосой (Wi-Fi 5 ГГц) к антенне с низкой полосой (LTE 700 МГц).

Сплетни и слоты

Перемешивание текущего пути удлиняет эффективный электрический путь, понижая резонансную частоту без увеличения площади антенны. Добавляя извилистый ответвление, которое длиннее основного, создается второй нижний резонанс. Слотирование — разрезание узких щелей или апертур в излучающем элементе или плоскости земли — также создает дополнительные резонансы. U-образный слот, например, может возбуждать режим более высокого порядка, который охватывает вторую полосу. Эти методы обычно используются в печатных монопольных антеннах для модулей IoT.

Связанные резонаторы

Несколько резонансных структур могут быть соединены друг с другом посредством близости или прямого соединения. Например, кольцевой резонатор, соединенный с монополем, обеспечивает дополнительную полосу. В уложенных патч-антеннах два пластыря разных размеров уложены вертикально с диэлектрическим спейсером. Каждый пластырь резонирует на разной частоте, а взаимная связь обеспечивает один корм. Такой подход хорошо работает для антенн базовых станций, но слишком толстый для большинства портативных устройств.

Реконфигурация частоты с использованием коммутаторов и варакторов

Как уже упоминалось, перенастраиваемые антенны используют активные компоненты для изменения резонанса. ПИН-диод может коротко замыкать часть антенны, изменяя ее длину и, таким образом, ее рабочую полосу. Варакторные диоды обеспечивают непрерывную настройку с помощью различной емкости. Этот метод может охватывать очень широкий частотный диапазон (например, от 700 МГц до 2,7 ГГц) с помощью одного компактного элемента. Однако смещающая сеть должна быть тщательно спроектирована, чтобы избежать утечки радиочастот, а нелинейность диодов может вызвать искажение интермодуляции.

Многократный вход/множественный выход (MIMO) антенные лучи

В системах 5G и Wi-Fi MIMO для повышения скорости передачи данных используются несколько антенн. Каждый элемент антенны может быть рассчитан на определенную полосу или может быть широкополосным. Для многодиапазонных MIMO антенны часто размещаются ортогонально или разнесены друг от друга для достижения низкой корреляции. Они могут использовать поляризованное разнообразие или разнообразие шаблонов. Проектирование многодиапазонных MIMO-массивов особенно сложно в смартфонах, где пространство чрезвычайно ограничено. Такие методы, как ортогональные режимы в антенне слота шасси, могут обеспечивать до 2×2 MIMO как на 2,4 ГГц, так и на 5 ГГц.

Проблемы и практические решения

Интеграция с металлическими домами

Многие современные устройства имеют металлические спинки или рамы, которые могут отключать антенны. Для смягчения этого дизайнеры используют ленивые антенны, разрезанные на металлическом шасси, емкостные соединительные каналы или отдельные дорожные просветы. Например, металлический телефон может использовать сам металлический каркас в качестве излучающего элемента с несколькими щелями для определения токовых путей. Этот подход может достигать многополосного покрытия, но требует тщательного электромагнитного моделирования, чтобы избежать резонансов, которые ухудшают производительность.

Соблюдение специальной скорости поглощения (SAR)

Многодиапазонные антенны должны соответствовать пределам SAR (например, 1,6 Вт / кг в США). Более высокая эффективность в нижних диапазонах часто соответствует более высоким SAR. Методы проектирования для уменьшения SAR включают добавление материалов с потерями (вставки для уменьшения SAR), использование конструкций антенн, которые направляют излучение от пользователя и работают при меньшей выходной мощности. В устройствах с несколькими антеннами можно использовать активное усреднение SAR.

Вмешательство внутренних компонентов

Аккумуляторы, камеры, динамики и кабели дисплея могут нарушать работу антенн. Наилучшая практика заключается в размещении антенн в областях с минимальным количеством металла и использовании наземных плоскостей в качестве щитов. Поглощающие радиочастотные материалы могут быть размещены между антенной и шумными компонентами. Полноволновое моделирование, включая все основные внутренние структуры, имеет важное значение для прогнозирования производительности в реальном мире.

Применение в многофункциональных устройствах

Смартфоны и планшеты

Эти устройства должны поддерживать изумительный массив полос: несколько сотовых полос (2G/3G/4G/5G), Wi-Fi двойной диапазон, Bluetooth, GNSS (GPS/GLONASS/BeiDou), а иногда NFC и UWB. Современные флагманские телефоны используют до 10-12 антенн, многие из них многодиапазонные. Например, основная сотовая антенна может охватывать 700-960 МГц, 1710-2170 МГц и 2500-2690 МГц, используя комбинацию режима шасси-слота и монополя ветви. Антенна Wi-Fi/BT часто использует извилистую инвертированную-F антенну с двухдиапазонной работой на 2,4 ГГц и 5 ГГц. Подробная теория на инвертированных-F антеннах обеспечивает основу для этих конструкций.

IoT-устройства

Датчики и модули IoT требуют недорогих компактных антенн для таких протоколов, как LoRa (868/915 МГц), NB-IoT (700-900 МГц), Zigbee (2,4 ГГц) и Bluetooth. Многодиапазонные антенны позволяют одному устройству работать в разных областях с различными частотными распределениями. Например, чиповая антенна, которая охватывает 868 МГц и 2,4 ГГц, позволяет интеллектуальному счетчику общаться как с шлюзом LoRa дальнего радиуса действия, так и с локальным концентратором Zigbee. Дизайнеры часто используют антенны печатной платы (PCB) с извилистыми следами и соответствием наземной плоскости.

носимые

Смарт-часы и фитнес-полосы имеют чрезвычайно ограниченное пространство (часто менее 1 см3 для антенны). Они должны поддерживать Bluetooth, GPS, а иногда и сотовую связь. Популярным решением является перенастраиваемая антенна с использованием варактора, который может переключаться между 1,5 ГГц (GPS) и 2,4 ГГц (Bluetooth) с простым управляющим напряжением. Альтернативно, двухдиапазонная PIFA с тонким диэлектриком может быть интегрирована в часовую полосу. Перенастраиваемые антенны для носимых устройств предлагают гибкость с минимальным объемом.

Автоматические приложения

Транспортные средства принимают антенны для AM/FM, DAB, спутникового радио, сотовой связи, V2X и GNSS. В корпусах акульих плавников, установленных на крыше, часто содержится несколько антенн: четырехдиапазонная сотовая антенна (LTE/5G), двухдиапазонная антенна Wi-Fi и GPS-патч. Проектирование этих многодиапазонных антенн требует тщательной изоляции и формирования шаблона, чтобы избежать помех между службами. Металлический кузов автомобиля создает большую наземную плоскость, которая влияет на рисунок излучения. Моделирование и измерения в автомобиле имеют решающее значение.

Будущие тенденции в многодиапазонном дизайне антенн

ИИ-управляемая оптимизация

Алгоритмы машинного обучения все чаще используются для оптимизации многодиапазонных антенных геометрий. Подавая нейронную сеть с результатами моделирования, дизайнеры могут быстро находить конфигурации, которые отвечают нескольким целям - пропускной способности, размеру, эффективности, изоляции - без исчерпывающей ручной итерации. Это особенно эффективно для сложных топологий, таких как реконфигурируемые антенны со многими переключателями.

Метаматериалы и искусственные магнитные проводники

Метаматериал-вдохновленные антенны с использованием резонаторов сплит-ринга, комплементарных расщепленных колец или поверхностей с высоким сопротивлением могут достигать многополосного поведения с электрически небольшими следами. Например, загрузка метаматериала может вводить отрицательную проницаемость, которая создает дополнительный резонанс без увеличения размера. Эти структуры исследуются для полос 5G mmWave, где обычные диэлектрики теряются. Исследования на метаматериальных антеннах показывают перспективность для компактных многополосных конструкций.

Полнодуплексные и интегрированные антенные системы

Будущие устройства будут поддерживать одновременную передачу и прием на одной и той же частоте (полнодуплексный диапазон). Это требует антенн с высокой изоляцией между портами передачи и приема - часто лучше, чем 80 дБ. Многодиапазонные антенны с двойной поляризацией или интеграцией циркулятора будут играть роль. Кроме того, антенны все чаще интегрируются с дисплеем (чистые антенны) или с батареей для экономии места. Прозрачные проводящие материалы, такие как ITO или сетчатые проводники, позволяют антеннам на экранах.

5G mmWave и Sub-6 GHz Co-Design

5G-устройства должны охватывать как под-6 ГГц (FR1), так и mmWave (FR2, 24-40 ГГц). Антенна mmWave обычно состоит из фазированных массивов с патч-элементами, которые полностью отличаются от антенн под-6 ГГц. Совместное размещение обоих в небольшом устройстве требует тщательного размещения, чтобы избежать сцепления. Появляются такие методы, как использование массивов mmWave в боковой оболочке телефона или на задней крышке. Антенна под-6 ГГц часто служит наземной плоскостью для массива mmWave, создавая сложную многодиапазонную систему.

Уборка энергии и автономные антенны

Многодиапазонные антенны также могут служить в качестве энергоуборщиков, захватывая радиочастотную энергию одновременно из нескольких полос. Это привлекательно для устройств IoT с низким энергопотреблением. Разрабатываются конструкции, которые сочетают антенну, выпрямитель и соответствующую сеть на 900 МГц и 2,4 ГГц. Антенна должна иметь высокую эффективность на обеих частотах, представляя правильное импеданс выпрямителю. Многодиапазонные ректенны продемонстрировали успешную сборку из окружающих Wi-Fi и сотовых сигналов.

Заключение

Проектирование двухдиапазонных и многодиапазонных антенн для многофункциональных устройств является многогранной дисциплиной, которая требует глубокого понимания электромагнитной теории, материаловедения и системной интеграции. По мере того, как устройства продолжают сокращаться и добавлять больше беспроводных стандартов, давление на инженеров антенн будет только возрастать. К счастью, достижения в инструментах моделирования, реконфигурируемых компонентах и адаптивных сетях сопоставления обеспечивают мощные решения. Следуя принципам проектирования и методам, изложенным здесь, таким как загрузка заглушек, извилистость, сопряженные резонаторы и активная реконфигурация, инженеры могут создавать антенны, которые обеспечивают надежную многодиапазонную производительность в самых узких пространствах. Будущее указывает на оптимизацию данных, метаматериалы и бесшовную интеграцию с другими функциями устройства, гарантируя, что наши постоянно подключенные устройства остаются способными и компактными.